淺談彩色電視機(jī)開關(guān)電源的工程設(shè)計(jì)

摘要：在扼要闡明單管反激型變換器的原理、特點(diǎn)基礎(chǔ)上，著重討論了它在彩電方面的重要應(yīng)用；指出彩色電視機(jī)電源對(duì)反激型變換器的特殊要求、技術(shù)難點(diǎn)和對(duì)策，介紹了設(shè)計(jì)范例并給出了工廠研制開發(fā)電視機(jī)電源的全流程。

關(guān)鍵詞：彩色電視機(jī)開關(guān)電源；反激型變換器；設(shè)計(jì)

A Talkon Engineering Designof SMPS for Color TV

FENG Zhen-ye 

Abstract:The special requests on flyback converter for TV sets,some technique ticklers and countermeasures were discussed. A design example and the procedures for research and development of TV power supplies are also given. 

Keywords:SMPS for color TV; Flyback converter; Design  　

1  引言

    據(jù)統(tǒng)計(jì),目前開關(guān)電源已有約14種拓?fù)湫问街郲1]，而每一種拓?fù)涠加衅浜线m的應(yīng)用場(chǎng)合。作為CRT彩電和監(jiān)視器一類電源,人們已把反激型變換器看作成它的主流形式,究其原因大致有以下幾點(diǎn):

    1）反激型變換器使用變壓器作耦合,它能將‘熱地’與‘冷地’分開，這為電視機(jī)用戶提供了使用安全性；

    2）與同樣帶有變壓器的正激型變換器相比，現(xiàn)在次級(jí)無(wú)需接入耐高壓的輸出扼流圈及價(jià)格不菲的續(xù)流二極管，這既節(jié)省了空間又降低了成本；

    3）次級(jí)可多繞組輸出，其主繞組可很輕易地做到數(shù)百伏直流輸出并具有良好的輸入電壓和負(fù)載變化調(diào)整率，至于各副繞組除了對(duì)主繞組的負(fù)載變化調(diào)整率稍低一點(diǎn)外，其余輸入電壓調(diào)整率卻能與主繞組持平，這是正激型變換器所做不到的；

    4）通過(guò)對(duì)變壓器初/次級(jí)匝數(shù)比及各繞組位置安排的精心設(shè)計(jì)和調(diào)整，有可能使反激型變換器在AC85～270V寬市電范圍內(nèi)都能保持接收?qǐng)D像質(zhì)量不下降,這就解決了電視機(jī)電源的世界適用問(wèn)題；

    5）只使用單功率管作開關(guān)，比起其它拓?fù)渥儞Q器是最節(jié)省的。

    當(dāng)然反激型變換器也有它的限制，就是受目前的功率器件以及磁芯元件的性能所限，其單管輸出功率最大只能達(dá)到200W左右，但作為彩電用途已足夠，因?yàn)榧词购兄氐鸵鬢OOFER功能的34吋大屏幕彩電，其電源輸出功率也不外是145W左右。因此從性能價(jià)格比考慮，現(xiàn)在多數(shù)電視機(jī)廠家都樂(lè)于采用此類變換器。

    作者曾多年從事彩電開關(guān)電源研制，本文結(jié)合過(guò)去的工作經(jīng)驗(yàn)，試圖從彩色電視機(jī)電源應(yīng)用角度，談?wù)劮醇ば妥儞Q器基本原理和工作方式，電視機(jī)對(duì)反激變換器的獨(dú)特要求，以及單管反激變換器的工程設(shè)計(jì)方法及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)等。祈望有助于業(yè)界人士和廣大電視機(jī)維修人員的工作。

2  反激型變換器原理和兩種工作方式

    單管反激型變換器電路及其工作波形如圖1所示。當(dāng)Q1被輸入脈沖驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)Np繞組的初級(jí)電流會(huì)以斜率為VDC/Lp線性上升，在導(dǎo)通時(shí)間（ton）結(jié)束時(shí)刻，初級(jí)電流i1已升到峰值

         I1P=×ton   (1)

圖1  基 本 電 路 及 波 形

同時(shí)磁芯內(nèi)存儲(chǔ)有能量

         E=      (2)

    當(dāng)Q1截止時(shí)，磁芯內(nèi)儲(chǔ)能向次級(jí)釋放，因?yàn)殡姼袃?nèi)的電流不能突變，所以在截止開始瞬間，初級(jí)電流傳遞到次級(jí)并使次級(jí)電流峰值為

        I2P=I1P     (3)

這個(gè)電流會(huì)直接向輸出電容充電。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后，次級(jí)直流電壓VO已建立，此時(shí)伴隨Q1截止，I2會(huì)從NS流出，其值為

         i2=I2P－t  (4)

式(4)表明，在截止期間的i2是線性下降的，它反映了磁芯儲(chǔ)能釋放情形。根據(jù)磁芯儲(chǔ)能是否全部釋放可導(dǎo)出反激型變換器的連續(xù)與不連續(xù)兩種工作方式，事實(shí)上隨著輸入市電電壓或者電視機(jī)接收負(fù)載(例如音量，輝度)的變化，電視機(jī)電源都有可能經(jīng)歷這兩種工作方式。

    1）不連續(xù)工作方式如果市電電壓較低或者電視機(jī)接收負(fù)載過(guò)重，就使次級(jí)電流i2在Q1的下一次導(dǎo)通之前已下降到零，這表明所有磁芯儲(chǔ)能已傳送到負(fù)載，此后Q1的每一次導(dǎo)通，相應(yīng)的初級(jí)電流i1及磁通?  都要從零開始上升。這種工作狀態(tài)叫不連續(xù)方式，其波形如圖2所示。

圖2  不 連 續(xù) 方 式 波 形

    現(xiàn)時(shí)，在一個(gè)周期T內(nèi)從電源VDC輸入的功率Pi為

         Pi==       (5)

    假定電源的效率為80％，即

           Pi==1.25=   (6)

    由式(6)得輸出電壓NO為

          VO=VDCton     (7)

    式（7）說(shuō)明：

    （1）如果圖1電路工作在不連續(xù)方式，若不小心將負(fù)載RL開路，則有可能因輸出電壓VO過(guò)大而燒壞管子，這種情況在調(diào)試時(shí)是時(shí)有發(fā)生的；

    （2）即使圖1能正常工作，其輸出電壓VO亦會(huì)隨著輸入電壓VDC和負(fù)荷RL的變化而變化，極不穩(wěn)定。為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，需要象圖3那樣加入一個(gè)反饋穩(wěn)壓電路，它是由輸出電壓采樣分壓器，EA誤差放大器和一個(gè)由直流電壓控制的可變寬度脈沖發(fā)生器組成。從式(7)可見，此反饋電路必須能夠保證在VDC或RL升高時(shí)，降低ton，或者在VDC或RL下降時(shí)升高ton。

圖3  帶 反 饋 穩(wěn) 壓 電 路 的 變 換 器

    功率管Q1所承受的最大電壓應(yīng)力的計(jì)算：

    在Q1截止期間因有次級(jí)電流i2流過(guò)NS，在NS上產(chǎn)生的電壓幅值近似為輸出電壓VO(忽略二極管正向壓降及引線損耗)，此電壓反映在初級(jí)繞組NP上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)VNP：

         VNP=VO   (8)

因此截止時(shí)功率管Q1所承受的最大電壓應(yīng)力為

       VDSmax=VDCmax＋VNP=VDCmax＋VO       (9)

    在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，Q1所承受的最大電壓應(yīng)力不僅限于VDSmax，同時(shí)還要加上由變壓器漏感所帶來(lái)的附加電壓尖峰(估計(jì)約為0.3VDC)，而且在選雙極型管時(shí)，需要注意以上二者之和應(yīng)該比所選管的額定值VCEO小30％，這樣才有足夠的安全余量。

    2）連續(xù)工作方式如果市電電壓升高或者接收負(fù)載減輕，這使次級(jí)電流i2在Q1的下一次導(dǎo)通到來(lái)之時(shí)仍未下降到零，磁芯仍含有一部分儲(chǔ)能，它會(huì)反映到初級(jí)，使此后Q1的每一次導(dǎo)通，相應(yīng)的初級(jí)電流i1及磁通φ都不是從零而是從一個(gè)恒定值開始上升。這種工作狀態(tài)叫連續(xù)方式，其波形如圖4所示。

圖4  連 續(xù) 方 式 波 形

    應(yīng)該指出，根據(jù)磁通復(fù)位原則，在連續(xù)方式中會(huì)存在一個(gè)磁通平衡點(diǎn)φO，在φO的基礎(chǔ)上讓導(dǎo)通時(shí)的磁通增加量Δφ1等于截止時(shí)磁通減少量Δφ2，故有

          VDCton=VOtoff

得出

          VO=VDC=   (10)

    由式（10）可知，如果圖1的電路工作在連續(xù)方式中，則輸出電壓VO只取決于匝數(shù)比NS/NP，時(shí)間比ton/toff以及輸入直流電壓VDC，而和負(fù)載RL無(wú)關(guān)。

    同樣地，實(shí)際的電源應(yīng)該象圖3那樣加入反饋電路，那么由式(10)可知，這個(gè)電路的作用應(yīng)該是當(dāng)輸入直流電壓VDC升高時(shí)，讓ton減少，或者當(dāng)VDC減少時(shí)，讓ton升高，以便保持輸出電壓VO不變。

    如果將式(8)代入式(10)，則有

       VDCton=VNPtoff   （11）

由此可進(jìn)一步簡(jiǎn)化式(9)，即截止時(shí)功率管Q1所承受的最大電壓應(yīng)力可化為

        VDSmax=VDCmax＋VO=VDCmax＋VDCmax=        (12)

考慮功率管還要承受由變壓器漏電感所引起的電壓尖峰(其值約為0.3VDCmax)。因此實(shí)際VDSmax′應(yīng)為

       VDSmax′=VDSmax＋0.3VDCmax=1.3VDCmax＋(NP/NS)VO     (13)

    3）實(shí)例

    有一29吋電視機(jī)其最大輸入市電電壓為AC 264V，變壓器NP=32匝，NS=28匝，VO=140V，則由式(13)得出VDSmax′=1.3××264V＋160V=645V。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)MOSFET管要選擇其VDS耐壓≥VDSmax′的，下面介紹連續(xù)方式的輸入、輸出電流與負(fù)載功率的關(guān)系。

    圖5示出連續(xù)方式的初級(jí)和次級(jí)電流波形。其輸出功率等于輸出電壓乘次級(jí)電流脈沖的平均值?，F(xiàn)定義ICSR為次級(jí)電流脈沖線性斜坡部分的中點(diǎn)值，故有

          PO=VOICSR=VOICSR(1－ton/T)    (14)

          ICSR=         (15)

    圖5中的初級(jí)電流脈沖線性斜坡部分的中點(diǎn)值ICPR，則由Pi=1.25PO=VDCICPR得

          ICPR=    (16)

圖5  連 續(xù) 方 式 中 的 初 次 級(jí) 電 流 臺(tái) 階

需要注意的是，連續(xù)方式的出現(xiàn)剛好在初級(jí)電流斜坡出現(xiàn)臺(tái)階的時(shí)候，由圖5可見當(dāng)ICPR升高到等于斜坡幅度ΔI1P的一半時(shí)，電流臺(tái)階開始出現(xiàn)，此時(shí)的ICPR在連續(xù)方式中是最小的，結(jié)合式(16)有

          ICPRmin=ΔI1P=

或者

     ΔI1P=    (17)

上式的tonmax可由式(11)在給定的最小VDCmin下求出。又因ΔI1P=(VDCmin)ton/LP故有

        LP==     (18)

    利用式(10)～(18)，可以計(jì)算工作于連續(xù)方式下的反激型變換器各相關(guān)參數(shù)值。需要指出的是，分別按二種方式來(lái)設(shè)計(jì)反激型變換器，會(huì)得出很不同的結(jié)果。例如文獻(xiàn)[1]曾使用不連續(xù)與連續(xù)兩種工作方式分別設(shè)計(jì)一個(gè)工作于50kHz的DC/DC反激變換器，假定其輸入DC電壓為38V，輸出5V，輸出功率為50W，則對(duì)初級(jí)電感LP以及初次級(jí)電流會(huì)得出如下表1所示的很不同結(jié)果。

表1  不同工作方式下的反激型變換器設(shè)計(jì)比較

    4）兩種工作方式的比較

    由表1可見反激型變換器的兩種工作方式會(huì)有很不同的運(yùn)行特性。不連續(xù)方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載電流或輸入電壓的突然變化反應(yīng)迅速，這使相應(yīng)的輸出電壓的瞬時(shí)改變較小。但其缺點(diǎn)是次級(jí)峰值電流為連續(xù)方式的2～3倍（相對(duì)于同一個(gè)輸出電流平均值而言）。因此在開關(guān)管截止之初，不連續(xù)方式會(huì)有一個(gè)較大的瞬態(tài)輸出電壓尖峰，這將要求一個(gè)較大的LC濾波器去消除它。在開關(guān)管截止之初形成的過(guò)大的次級(jí)峰值電流同時(shí)引起RFI問(wèn)題。即便對(duì)于中功率輸出，由于進(jìn)入輸出母線電感的di／dt值很大，它在輸出地線上生成很嚴(yán)重的噪聲尖峰。由于不連續(xù)方式的次級(jí)電流有效值比連續(xù)方式高出近兩倍，這就要求次級(jí)導(dǎo)線線徑較大以及有一個(gè)紋波電流額定值較大的輸出濾波電容。同時(shí)次級(jí)輸出整流二極管也必須耐受高的溫升。另外初級(jí)峰值電流也大于連續(xù)方式的兩倍，如圖2所示，在電流平均值相同的情況下，不連續(xù)方式的三角形電流波形其峰值顯然比連續(xù)方式的梯形波形的峰值為高。其結(jié)果就要求不連續(xù)方式的開關(guān)管有較高的電流額定值，造成成本增加。同樣，較高的初級(jí)電流也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的射頻干擾（RFI）問(wèn)題。

    盡管不連續(xù)方式有這么多缺點(diǎn)，但實(shí)用上絕大多數(shù)電源都設(shè)計(jì)為這種方式，這是因?yàn)椋旱谝?，不連續(xù)方式要求初級(jí)電感較小，這使它對(duì)輸出負(fù)載電流或輸入電壓的突變響應(yīng)迅速，使相應(yīng)的瞬間輸出電壓ΔVO變化幅度不大（0.2V以下）；第二，連續(xù)方式雖有較低的初、次級(jí)電流，這無(wú)疑是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但它卻需要很大的LP，并使其傳遞函數(shù)有一個(gè)右半相平面零點(diǎn)，容易造成閉環(huán)電路的不穩(wěn)定。因此作為一般用途的開關(guān)電源，是較少人選用連續(xù)方式的。但作為彩電開關(guān)電源由于其輸入電壓變化范圍大，往往在電壓低端按不連續(xù)方式設(shè)計(jì)，但到了電壓的中高端，電路仍不可避免地進(jìn)入連續(xù)方式，此時(shí)變換器對(duì)負(fù)載電流的突然變化（例如圖像亮度，音量突變等）響應(yīng)慢，VO的瞬時(shí)變化ΔVO加大（約0.2～0.5V），直接影響行輸出級(jí)變壓器各繞組輸出電壓的改變，幸虧由于顯像管束電流量與陽(yáng)極高壓等是同時(shí)加大（減小）的，束電流射到屏幕上會(huì)減弱陽(yáng)極高壓的變化，如果調(diào)整合適就能消除因ΔVO所帶來(lái)的對(duì)圖像抖動(dòng)的大部分影響，當(dāng)然此時(shí)我們要注意把反饋環(huán)路中的誤差放大器帶寬調(diào)整得窄一些，以便讓此類變換器能穩(wěn)定地工作。

    5）PWM控制方法

    在實(shí)際應(yīng)用中，單管反激型變換器存在自激式和它激式兩種。自激式電路簡(jiǎn)單，但穩(wěn)壓性能較差，僅適用于小功率應(yīng)用。在早年的14吋～21吋小屏幕的彩色電視機(jī)中不乏采用這種由全分立元器件組成的變換器。但目前它激式已廣泛流行，它是用外加控制含驅(qū)動(dòng)級(jí)的IC來(lái)控制開關(guān)管工作，主要采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）。但實(shí)現(xiàn)PWM的方法也有多樣，其中主要有：

    （1）直接由占空比控制

    如圖6所示。將控制電壓VC與一個(gè)固定頻率的鋸齒波電壓相比較后得出一個(gè)寬度可變的脈沖，由它來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。

(a)  原 理 圖

(b)  比 較 器 輸 入

(c)  vg

圖6  直 接 占 空 比 控 制

    （2）電壓前饋控制

    它很類似于占空比控制，但有一點(diǎn)不同的是現(xiàn)在的鋸齒波電壓幅值VS是正比于輸入電壓Vi的，如圖7所示。

(a)  原 理 圖

(b)  比 較 器 輸 入

(c) vg

圖 7  Buck電 壓 前 饋 控 制

    （3）電流控制

    這是SMPS廣泛使用的技術(shù)。其控制電壓VC不再與一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較，而是把VC與一個(gè)和初級(jí)電流成比例的電壓作比較，形成一個(gè)第二內(nèi)部控制環(huán)路。如圖8所示。

(a)  原 理 圖

(b)  時(shí) 鐘 脈 沖

(c)  比 較 器 輸 入

(d)  比 較 器 輸 出

(e)  vg

圖 8  Buck電 流 模 式 控 制

    （4）準(zhǔn)諧振技術(shù)

    電流控制，但toff也稍作某些延遲以使開關(guān)管在最低的電應(yīng)力下導(dǎo)通，這叫做電流型PWM加準(zhǔn)諧振技術(shù)。這是目前最普遍使用的。